地球以惊人的速度围绕着太阳运转(每秒30km,1年大约要走10亿千米)。然而奇怪的是,尽管地球运动得这么快,何以我们人类都丝毫未觉察到这个快速运动,仍若无其事地在它上面工作着、生活着!

公元2世纪,古希腊学者托勒密创立了地心说,他假定各个行星都绕着自己的一个小圆轨道做圆周运动,这个小圆轨道叫作“本轮”,本轮的中心又绕着一个以地球为中心的大圆轨道(叫作“均轮”)旋转。古时候每一颗行星的位置就是用托勒密的宇宙体系学说计算出来的。在公元14世纪以前,这个宇宙模型是世界公认的。

哥白尼是第一个反对这种宇宙模型的人,哥白尼发现的日心宇宙模型,我们称它为“太阳中心说”(简称“日心说”)。哥白尼的日心说改变了人类对宇宙的看法,从此,人们才知道我们居住的地球只不过是一个普通的天体,它是太阳系行星中的一员。

伽利略发表在《星球公报》上的文章,向世界公布了他对天体观测的结果。他支持了哥白尼的“日心说”,还捍卫了“日心说”。当年天主教会对伽利略进行了疯狂的迫害,他被控告犯了“信仰并拥护虚妄的反对神圣经典学说”的罪名,受到罗马教廷的审判,并宣布哥白尼的“日心说”是一种荒谬的邪说。由此可见,真理是在斗争中认识和发展的。

1932年,伽利略发表了《关于两个世界体系的对话》一书,其中提出了对运动的看法,也就是现在所说的运动的相对性原理。此原理实质上是说：在一个匀速直线运动系统里,不论这整个系统的运动速度是非常巨大还是等于零,系统里的各个运动都是没有区别的。

运动的相对性,则是另外一回事,它是说运动的性质由所选择的参照物决定,由于参照物不同,同一物体运动的性质可以是多种多样的。

例如你在火车上看书的时候,把书放在窗边的桌子上,书对窗子来说是静止的,但是书对地面来说,却是跟着火车在运动。又如你坐在桌边看书,对地面来说,你是静止的,但是对太阳来说,你是运动的。而且太阳和太阳系的行星以每秒20km的速度向着天琴座和武仙座飞速地运动。(www.daowen.com)

在整个宇宙中想找出一个不运动的星体是绝对不可能的。然而,我们为了计算的方便,可以选取一点当作是静止的。我们得到了力学上的一个非常重要的结论：一切运动包括静止在内,都是相对的。

虽然事实上宇宙间一切物体都在运动,可是说实话,这点我们丝毫都未察觉到,平时我们总以为地球很稳定,总认为地球是静止不动的。在400多年前,可以说,谁也没有怀疑过地球是静止的。今天我们可以说,地球的转动是自然界中我们所知道的最理想的匀速转动;另外,由于地球半径是这样的大,所以地球表面上任何一点的运动,可以近似地当作直线运动。

当地球自转的时候,赤道上任何一点的运动速度都是463m/s,因为赤道半径是6371km,而北纬55°45'纬圈上任何一点的运动速度是265m/s,因为那里的纬圈半径是3654km(比赤道半径几乎小一半)。虽然是这样的悬殊,但人们的感觉都是一样的。这也是很自然的事,在运动半径长达几千千米的匀速圆周运动里,如果所取的时间间隔很短,这时候的运动跟匀速直线运动便没有什么区别。

所以我们可以说,地球上的人们及其周围事物的运动,都可以当作匀速直线运动。按照伽利略运动的相对性原理,我们知道静止和匀速直线运动没有区别。

爱因斯坦从真空中的光速不以光源与测量者的相对运动而改变的物理实验(如前面我们介绍的迈克尔逊-莫雷实验,后来两人也因此成为美国首次获得诺贝尔奖的人)的事实出发,突破过去低速运动所概括出来的物体运动的规律和时间、空间的概念,提出了狭义相对论。狭义相对论,不但适用于接近光速的运动,而且在日常生活中的低速运动情况下,它的结论与古典的那种速度相加或相减的情况相差也是极小的,以至于一般人日常生活中不会感到两者有什么明显差别。所以我们可以说,伽利略相对性原理是一种相对真理,而相对论则是进一步的相对真理。在高速运动情况下,古典理论不适用时,但相对论仍然可以适用,人们过去的常识就会发生变化,不仅运动着的尺子会缩短(称为洛伦兹收缩),而且运动着的时钟(表)也会变慢,这究竟是怎么一回事?请看下面的洛伦兹变换、缩尺和钟慢。